掺铥光纤激光器及相干合束方案研究

摘要

石英基掺铥光纤激光器发射谱覆盖1.5～2.2微米波段，其中含有两个大气窗口和一个强水吸收峰，由于其波段位于眼安全区，因此，在激光医疗、遥感探测、激光雷达、军事等方面具有广泛的应用前景，目前输出功率正从百瓦级向千瓦级迈进，成为近来激光领域里的一个研究热点。 目前关于掺铥光纤激光器的研究大都采用实验研究的方法，而建立数学模型对深入研究掺铥光纤激光器的性能优化激光器设计具有重要的意义。本论文主要围绕掺铥双包层光纤激光器及相干合束进行深入的理论研究工作。一方面从激光器理论建模入手研究激光器的相应参数对激光器性能的影响，得到的结论对掺铥激光器的设计奠定了基础。另一方面从理论上研究了相干合束的有效方案，利用多芯双包层光纤、全光纤迈克尔干涉腔实现相干合束方案进行了深入研究，得到了一系列的结果，为构建高功率、高光束质量输出的掺铥激光器提供参考。 本论文的研究内容及创新点主要包括以下几个方面： 1.研究了掺铥离子的能级结构，对掺铥光纤激光器的三种泵浦方案进行了论述，在研究每种泵浦方案的速率方程的基础之上对常用泵浦方案3H6→3H4进行理论推导得出了激光器中处于激发态与基态上铥离子数满足的方程。 2.在研究泵浦方案基础之上对790nm前向泵浦3H6→3H4方案进行了编程仿真，得到了泵浦功率、光纤长度、掺杂浓度、损耗等因素对激光器性能的影响规律。 3.利用衍射理论得到了多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型，在此基础之上进行了计算机仿真模拟，分析了纤芯数目、相邻纤芯轴间距离、纤芯直径、波长对合束的影响，提出了优化的解决方案。 4.研究了全光纤迈克尔干涉腔实现相干合束的实验原理，论述了干涉腔的光谱响应函数，并进行了模拟仿真，对影响光谱响应函数的因素支臂数目、相邻支臂之间的长度差值、公共腔的反射率等因素进行了详细的分析。

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致谢

1 绪论

1.1 本课题的研究背景和意义

1.2 掺铥光纤激光器的研究动态

1.3 相干合束的研究动态

1.4 论文的主要工作

2 双包层光纤及掺铥光纤激光器

2.1 双包层光纤结构及其优越性

2.2 光纤激光器的常用结构

2.3 铥离子的能级结构及光谱特性

2.4 掺铥光纤激光器理论模型

2.4.1 3H6 →3H4 泵浦方案

2.4.2 3H6 →3F4 泵浦方案

2.4.3 3H6 →3F5 泵浦方案

2.5 影响激光器输出特性的参数

2.6 小结

3 掺铥光纤激光器数值分析

3.1 打靶法介绍

3.2 仿真结果分析

3.3 小结

4 光纤激光器相干合束理论及仿真

4.1 简述

4.2 MOPA方案简介

4.3 外腔相干合束技术简介

4.4 自傅里叶腔实现相干合成简介

4.5 多芯双包层光纤及其相干合束分析

4.5.1 多芯双包层光纤简介

4.5.2 理论分析

4.5.3 圆环阵列的仿真结果

4.6 全光纤相干合束技术研究

4.6.1 全光纤相干合束技术简述及理论分析

4.6.2 仿真计算结果分析

4.7 小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

作者简历